DE2724661C3 - Ultrasonic flow meter for liquids used in particular on heating media - Google Patents
Ultrasonic flow meter for liquids used in particular on heating mediaInfo
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- G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
- G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Strömungsmengenmesser der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Gattung.The invention relates to an ultrasonic flow meter the type mentioned in the preamble of claim 1.
Ein derartiger Strömungsmengenmesser ist bereits bekannt (DE-AS 16 73450). Dabei ist die Frequenz des Schwingungserzeugers proportional zur Schallgeschwindigkeit. Damit der Strömungsmengenmesser genau arbeitet, werden zwei Multiplikationen durchgeführt und zwar zuerst mit Hilfe einer Eingangslogik und danach mit Hilfe eines Gatters. Für die zweite Multiplikation wird eine dem Zählerstand des Zählers entsprechende Zeitspanne gebildet Der Aufwand hierfür ist jedoch verhältnismäßig groß, denn es müssen ein Übertragungsgatter, ein Komplementregister, eine Kristalluhr und weitere Bauteile verwendet werden.Such a flow meter is already known (DE-AS 16 73450). The frequency of the Vibration generator proportional to the speed of sound. So that the flow meter works exactly, two multiplications are carried out, first with the help of an input logic and then with the help of a gate. For the second multiplication one is the count of the counter corresponding time span formed The effort for this is relatively large, because it must a transmission gate, a complement register, a crystal clock and other components can be used.
Darüber hinaus ist es bekannt (US-PS 39 35 735), die Laufzeit der Ultraschallsignale rechnerisch in das Meßresultat einzubeziehen, um die durch die veränderliche Schallgeschwindigkeit entstehenden Meßfehler zu kompensieren.In addition, it is known (US-PS 39 35 735) that To include the transit time of the ultrasonic signals arithmetically in the measurement result in order to reduce the To compensate for the measurement errors arising from the speed of sound.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Ultraschall-Strömungsmengeninesser der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, daß ein geringeres Verhältnis von Aufwand zu Genauigkeit erzielt wird.The invention is based on the object of providing the ultrasonic flow rate meter of the type mentioned at the beginning To improve the genus in such a way that a lower ratio of effort to accuracy is achieved.
Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet, und in Unteransprüchen sind weitere Ausbildungen bzw. Verbesserungen derselben beansprucht.The invention is characterized in claim 1, and further developments are in subclaims or improvements thereof are claimed.
Obwohl praktisch die gleiche Genauigkeit wie bei dem eingangs genannten Stand der Technik erzielbarAlthough practically the same accuracy can be achieved as with the prior art mentioned at the beginning
Temperatur (Tn) der Flüssigkeit wie das Quadrat der 65 ist, gelingt die Realisierung derselben bei der ErfindungThe temperature (T n ) of the liquid is the same as the square of 65 , the same can be achieved in the invention
Schallgeschwindigkeit (c) in der Flüssigkeit auf- mit einem wesentlich geringeren Aufwand.Speed of sound (c) in the liquid - with much less effort.
wejst- Während beim Strömungsmengenmesser - oder we j st- While with the flow meter - or
5. Ultraschall-Strömungsmengenmesser nach An- auch Durchflußvolumenzähler - der Volumenstrom,5. Ultrasonic flow meter after the flow meter - the volume flow,
Ii Z* böl Ii Z * böl
d.h. das Volumen je Zeiteinheit, z.B. in mVs, des ! Strömungsmittels gemessen und durch Zeitintegralion aus dem Volumenstrom das Durchflußvolumen, z. B. in ι m3, bestimmt wird, wird bei der bevorzugten Anwendung der Erfindung als Wärmemengenzähler der Vniumenstrom des als Wärmeträger dienenden strömenden Mediums sowie die Differenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatui gemessen und das Zeitintegral des Produktes aus dem Volumenstrom und der Temperaturdifferenz gebildet.ie the volume per unit of time, for example in mVs, of the! Measured fluid and by time integration from the volume flow, the flow volume, z. B. in ι m 3 , is determined, is measured in the preferred application of the invention as a heat meter, the Vniumenstrom of serving as a heat carrier flowing medium and the difference between the flow temperature and the return temperature and the time integral of the product is formed from the volume flow and the temperature difference.
Die nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung durchgeführte Modulation der Sendeimpulse und die Ausblendung der Ein- und Ausschwingphase der Empfängersignale ermöglicht sogar die Verwendung solcher Ultraschallwandler, die einen verhältnismäßig schlechten Frequenzgang aufweisen und daher preisgünstig sind.The carried out according to a further embodiment of the invention modulation of the transmission pulses and the Fading out the swing-in and swing-out phase of the receiver signals even enables use such ultrasonic transducers, which have a relatively poor frequency response and are therefore inexpensive are.
Nachfolgend werden einige Ausführur.gsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigtSome embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. It shows
Fig. 1 eine Meßanordnung, die Teil eines Durchflußyolumenzählers
oder Wärmemengenzählers ist,
; F i g. 2 und 3 Diagramme,
\ F i g. 4 bis 6 drei verschiedene Wärmemengenzähler,1 shows a measuring arrangement which is part of a flow volume meter or heat meter,
; F i g. 2 and 3 diagrams,
\ F i g. 4 to 6 three different heat meters,
F i g. 7 einen Schwingungserzeuger undF i g. 7 a vibrator and
F i g. 8 ein weiteres Diagramm.F i g. 8 is another diagram.
Die in der F i g. 1 dargestellte Meßanordnung 1 besteht im wesentlichen aus einer Meßstrecke 2 mit
zwei Ultraschaliwandlern 3 und 4, einem Sendeglied 5 und einem Laufzeitdl ierenz-Meßglied 6. Die Ultraschallmeßstrecke
2 weist einen Einlaß 7 und einen Auslaß 8 für ein flüssiges Medium auf. Die Ultraschallwandler
3,4 sind so angeordnet, daß sich die von ihnen ausgehenden Ultraschallwellen im wesentlichen parallel
zur Strömungsrichtung 9 des Mediums ausbreiten und den gesamter. Strömungsquerschniti erfassen.
■i Das Sendeglied 5 enthält einen Modulationsoszillator
10, ein Steuerglied 11 und eine Modulations- und Treiberstufe 12, deren Ausgang über Ankopplungsgüeder
13, 14 mit den beiden Ultraschallwandlern 3, 4 verbunden ist Das Steuerglied 11 weist einen
Steuereingang 15 und zwei Ausgänge 16, 17 auf. Es besteht vorzugsweise aus einer Zählkette, weiche die
Schwingungsperioden des Modulationsoszillators 10 zählt, in Abhängigkeit von ihrem Zählerstand Impulssignale
an die Ausgänge 16, 17 abgibt und durch einen Impuls am Steuereingang 15 auf Null zurückgesetzt
werden kann. Der Ausgang 16 des Steuergliedes 11 und ijener des Modulationsoszillators 10 führen zur Modulations-
und Treiberstufe 12.The in the F i g. 1 measuring arrangement 1 shown consists essentially of a measuring section 2 with two ultrasonic transducers 3 and 4, a transmitting element 5 and a transit time dl ierenz measuring element 6. The ultrasonic measuring section 2 has an inlet 7 and an outlet 8 for a liquid medium. The ultrasonic transducers 3, 4 are arranged in such a way that the ultrasonic waves emanating from them propagate essentially parallel to the flow direction 9 of the medium and the whole. Record flow cross-sections.
The transmitter element 5 contains a modulation oscillator 10, a control element 11 and a modulation and driver stage 12, the output of which is connected to the two ultrasonic transducers 3, 4 via coupling elements 13, 14. The control element 11 has a control input 15 and two outputs 16, 17 on. It preferably consists of a counting chain which counts the oscillation periods of the modulation oscillator 10, sends pulse signals to the outputs 16, 17 as a function of their count, and can be reset to zero by a pulse at the control input 15. The output 16 of the control element 11 and ijener of the modulation oscillator 10 lead to the modulation and driver stage 12.
Das Laufzeitdifferenz-Meßglied 6 besteht aus einem Nullschwellenschalter 18, einem invertierenden NuII-schwellenschalter 19 und einem ausgangsseitigen UND-Tor 20, dessen Ausgang 21 den Ausgang des Laufzeitdifferenz-Meßgliedes darstellt und das einganpsseitig mit den beiden Nullschwellenschaltern 18 und 19 sowie mit dem Ausgang 17 des Steuergliedes 11 verbunden ist. Der Ultraschallwandler 3 ist an den Nullschwellenschalter IS und der Uliraschäilwandler 4 an den Nullschwellenschalter 19 angeschlossen.The transit time difference measuring element 6 consists of a zero threshold switch 18, an inverting zero threshold switch 19 and an AND gate 20 on the output side, the output 21 of which represents the output of the transit time difference measuring element and the input side with the two zero threshold switches 18 and 19 and with the output 17 of the control element 11 connected is. The ultrasonic transducer 3 is connected to the zero threshold switch IS and the Uliraschäil transducer 4 connected to the zero threshold switch 19.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise der Meßanordnung 1 anhand der Diagramme der Fig.2 und 3 erläutert. In der F i g. 2 bedeutet U\ die Steuerspannung am Steuereingang 15 des Sieuergliedes 11, U2 die Spannung am Ausgang 16, Us die Spannung am Ausgang 17 des Steuergliedes, i/3 die Spannung am Ultraschallwandler 3 und U4 diejenige am Ultraschallwandler 4. In der F i g. 3 ist der Verlauf der Spannungen Ui, Ui und Ua mit gegenüber der Fig.2 stark gedehntem Zeitmaßstab nochmals dargestellt. Ferner zeigt die F i g. 3 den Verlauf der Spannungen Lk» Ui und U% an den Ausgängen der Nullschwellenschalter 18 und 19 und des UND Tores 20.The mode of operation of the measuring arrangement 1 is explained below with the aid of the diagrams in FIGS. In FIG. 2 means U \ the control voltage at the control input 15 of the control element 11, U 2 the voltage at the output 16, Us the voltage at the output 17 of the control element, i / 3 the voltage at the ultrasonic transducer 3 and U 4 that at the ultrasonic transducer 4. In the F i G. 3 the course of the voltages Ui, Ui and Ua is shown again with a time scale that is greatly expanded compared to FIG. Furthermore, FIG. 3 shows the course of the voltages Lk »Ui and U% at the outputs of the zero threshold switches 18 and 19 and the AND gate 20.
Die impulsförmige Steuerspannung U\ am Steuereingang 15 wird mit einem weiter unten beschriebenen Schwingungserzeuger gebildet. Durch jeden Impuls 22 dieser Spannung wird das Steuerglied 11 zurückgestellt und danach gestartet. Am Ausgang 16 wird ein Sendeimpuls 23 abgegeben. Dieser moduliert in der Modulations- und Treiberstufe 12 die Frequsnz h des Modulationsoszillators 10. Als Beispiel sei angenommen, daß die Frequenz /b) MHz beträgt und die Länge der durch eine Zählkette des Steuergliedes 11 bestimmten Sendeimpulse 23 der Dauer von 128 Schwingungsperioden des Modulationsoszillators 10 entspricht. Die Ultraschallwandler 3 und 4 werden durch phasengleich modulierte Sendeimpulse 24 (SpannungThe pulse-shaped control voltage U \ at the control input 15 is formed with a vibration generator described below. With each pulse 22 of this voltage, the control member 11 is reset and then started. A transmission pulse 23 is emitted at output 16. This modulates the frequency h of the modulation oscillator 10 in the modulation and driver stage 12. As an example, it is assumed that the frequency is / b) MHz and the length of the transmission pulses 23 determined by a counting chain of the control element 11 has a duration of 128 oscillation periods of the modulation oscillator 10 is equivalent to. The ultrasonic transducers 3 and 4 are modulated in-phase by transmit pulses 24 (voltage
U3) bzv/. 25 (Spannung Ui)1 deren Dauer kürzer ist als die Laufzeit der erzeugten Ultraschallwellen, gleichzeitig angesteuert. U 3 ) or /. 25 (voltage Ui) 1 whose duration is shorter than the transit time of the generated ultrasonic waves, controlled at the same time.
Die vom Ultraschallwandler 3 emittierten sinusförmigen Ultraschallwellen werden vom Ultraschallwandler 4 empfangen und von diesem in ein elektrisches Empfangssignal 26 umgeformt. Etwa gleichzeitig empfängt der Ultraschallwandler 3 die vom Ultraschallwandler 4 emittierten sinusförmigen Ultraschallwellen und erzeugt ein elektrisches Empfangssignal 27. InfolgeThe sinusoidal ultrasonic waves emitted by the ultrasonic transducer 3 are transmitted by the ultrasonic transducer 4 received and converted by this into an electrical received signal 26. About the same time the ultrasonic transducer 3 receives the sinusoidal ultrasonic waves emitted by the ultrasonic transducer 4 and generates an electrical reception signal 27. As a result
der unterschiedlichen Laufzeit der Ultraschallwellen in und entgegen der Strömungsrichtung 9 des Mediums sind die Empfangssignale 26 und 27 um die Phasendifferenz Δφ gegeneinander verschoben. Diese Phasendifferenz entspricht bei konstanter Frequenz f0 derthe different transit times of the ultrasonic waves in and against the flow direction 9 of the medium, the received signals 26 and 27 are shifted from one another by the phase difference Δφ. This phase difference corresponds to the constant frequency f 0
Laufzeitdifferenz Atder Ultraschallwellen.Transit time difference At of the ultrasonic waves.
Das Steuerglied 11 gibt an seinem Ausgang 17 einen Spannungsimpuls 28 (Spannung t/5) ab, dessen Dauer wiederum durch die erwähnte Zählkette bestimmt sein kann und beispielsweise der Dauer von 64 Schwingungsperioden des Modulationsoszillators 10 entspricht. Mit diesem Spannungsimpuls 28 werden das UND-Tor 20 während 64 Perioden der Empfangssignale 26, 27 innerhalb des Empfangsbetriebes der Meßanordnung 1 'geöffnet. Das UND-Tor 20 wird erst nach beendeter Einschwingphase und längstens bis zum Beginn der Ausschwingphase der empfangenen UltraschallimpulseThe control element 11 emits a voltage pulse 28 (voltage t / 5) at its output 17, the duration of which can in turn be determined by the aforementioned counting chain and, for example, the duration of 64 oscillation periods of the modulation oscillator 10 corresponds. With this voltage pulse 28, the AND gate 20 during 64 periods of the received signals 26, 27 within the receiving mode of the measuring arrangement 1 'opened. The AND gate 20 is only after the end of the settling phase and at the longest until the beginning of the Decay phase of the received ultrasonic pulses
freigegeben, so daß die Empfangssignale 26,27 währendreleased so that the received signals 26,27 during
der Ein- und Ausschwingphase ausgeblendet werden.the swing-in and swing-out phases are faded out.
Die Spannung U6 am Ausgang des Nullschwellenschalter 18 nimmt jeweils während den positiven Halbwellen des Empfangssignals 27 und die Spannung Uj am Ausgang des Nullschwellenschalters 19 während den negativen Halbwellen des Empfangssignals 26 den Wert logisch 1 an. Durch die UND-Verknüpfung derThe voltage U 6 at the output of the zero threshold switch 18 assumes the value logic 1 during the positive half-waves of the received signal 27 and the voltage Uj at the output of the zero threshold switch 19 during the negative half-waves of the received signal 26. By ANDing the
Spannungen U6 und U1 entstehen am Ausgang 21 Meßimpulse 29 (Spannung Us), deren Dauer δ der Laufzeitdifferenz Δ t entspricht.Voltages U 6 and U 1 arise at output 21 measuring pulses 29 (voltage Us), the duration δ of which corresponds to the transit time difference Δt.
Beim nächsten Impuls 22 der Steuerspannung U] wird der beschriebene Meßvorgang wiederholt jeder ImpulsWith the next pulse 22 of the control voltage U] , the measurement process described is repeated every pulse
22 löst also die Erzeugung von 64 Meßimpulsen 29 aus. Für die Dauer δ der Meßimpulse 29 gilt22 thus triggers the generation of 64 measuring pulses 29. For the duration δ of the measuring pulses 29 applies
wobei b die Länge der Meßstrecke 2, cm die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums, C0 die Schall-where b is the length of the measuring section 2, c m is the flow velocity of the medium, C 0 is the sound
geschwindigkeit im Medium, Kden Volumenstrom und Art eine Konstante bedeutetspeed in the medium, Kden volume flow and Kind means a constant
In der F i g. 4 ist die beschriebene Meßanordnung 1 als Block mit dem Steuereingang 15 und dem Ausgang 21 dargestellt An den Steuereingang 15 ist ein Schwingungserzeuger 30 angeschlossen, der von einem die Temperatur des strömenden Mediums erfassenden Temperaturfühler 31 so gesteuert ist, daß die Frequenz /i der vom Schwingungserzeuger erzeugten Steuerspannüng Uy (F i g. 2) in einem vorgegebenen Temperaturbereich näherungsweise die gleiche Abhängigkeit von der ';5Temperatur des Mediums aufweist wie das Quadrat der (Schallgeschwindigkeit cq. Innerhalb des vorgegebenen ^Temperaturbereichs gilt alsoIn FIG. 4 the measuring arrangement 1 described is shown as a block with the control input 15 and the output 21. A vibration generator 30 is connected to the control input 15, which is controlled by a temperature sensor 31 that detects the temperature of the flowing medium so that the frequency / i of the vibration generator generated control voltage Uy (Fig. 2) in a given temperature range has approximately the same dependence on the temperature of the medium as the square of the (speed of sound cq. Within the given temperature range, the following applies
wobei Ai eine Konstante bedeutetwhere Ai means a constant
Wenn die Anordnung nach der Fig.4 als V/ärmeimengenzähler dienen soll, so ist der Schwingungserzeuger 30 außerdem mit einem Vorlauftemperaturfühler 32 und einem Rückiauftemperaturfühler 33 verbunden. Der 'Vorlauftemperaturfühler 32 mißt die Temperatur des strömenden Mediums vor dessen Eintritt in einen nicht dargestellten Wärmeverbraucher und der Rücklauftemperaturfühler 33 die Temperatur des vom Wärmeverbraucher zu einem Wärmeerzeuger zurückfließenden Mediums. Der Schwingungserzeuger 30 ist vom Vorlauftemperaturfühler 32 und vom Rückiauftemperaturfühler 33 so gesteuert, daß die Frequenz f\ proportional ist zur Differenz aus der Vorlauftemperatur 7Vund der Rücklauftemperatur TnSO daß gilt:If the arrangement according to FIG. 4 is to serve as a V / arm quantity counter, the vibration generator 30 is also connected to a flow temperature sensor 32 and a return temperature sensor 33. The 'flow temperature sensor 32 measures the temperature of the flowing medium before it enters a heat consumer, not shown, and the return temperature sensor 33 measures the temperature of the medium flowing back from the heat consumer to a heat generator. The vibration generator 30 is controlled by the flow temperature sensor 32 and the return temperature sensor 33 so that the frequency f \ is proportional to the difference between the flow temperature 7V and the return temperature T n SO that the following applies:
Der Ausgang 21 der Meßanordnung 1 ist an den ersten Eingang eines UND-Tores 34 angeschlossen, dessen zweiter Eingang mit einem Abtastgenerator 35 verbunden ist und dessen Ausgang über eine Impulsteilerstufe 36 zu einem Impulszähler 37 führt. Der Abtastgenerator 35 erzeugt vorzugsweise schmale Abiastimpulse mit der konstanten Pulsfrequenz h. The output 21 of the measuring arrangement 1 is connected to the first input of an AND gate 34, the second input of which is connected to a sampling generator 35 and the output of which leads to a pulse counter 37 via a pulse divider stage 36. The sampling generator 35 preferably generates narrow sampling pulses with the constant pulse frequency h.
Der oben beschriebene, durch die Impulse 22 (F i g. 2) ausgelöste Meßvorgang wird mit der Frequenz /i wiederholt, was einer Multiplikation von δ mit f< gleichkommt Am Ausgang des UND-Tores 34 entstehen Zählimpulse mit einer mittleren PulsfrequenzThe above-described measuring process triggered by the pulses 22 (FIG. 2) is repeated with the frequency / i, which is equivalent to a multiplication of δ by f <. At the output of the AND gate 34, counting pulses with an average pulse frequency are produced
Die mittlerePulsf requenz/3 ist alsozumProdukt aus der Temperaturdifferenz 7V— T, und dem Volumenstrom V proportional. Durch Aufsummieren der Zählimpulse im Impulszähler 37 wird die Wärmemenge Q ermittelt, für die unter der Voraussetzung eines konstanten Wärmekoeffizienten gilt:The mean pulse frequency / 3 is therefore proportional to the product of the temperature difference 7V - T and the volume flow V. By adding up the counting pulses in the pulse counter 37, the amount of heat Q is determined, for which the following applies, assuming a constant heat coefficient:
Q=k 1(Ty- Tr)- VatQ = k 1 (Ty- Tr) - Vat
Werden die Temperaturfühler 32 und 33 weggelassen 'oder durch Festwiderstände ersetzt, so ermittelt der Impulszähler 37 das Durchflußvolumen V If the temperature sensors 32 and 33 are omitted or replaced by fixed resistors, the pulse counter 37 determines the flow volume V
V=k J Vat V = k J Vat
■ ' Die Ultraschallmeßstrecke 2 (Fi g. 1) ist so ausgelegt, "daß bei maximalem Volumenstrom γ die phasendifferenz Δφ (Fig.3) nicht mehr als 180° beträgt. Dies -gestattet die beschriebene sehr einfache Detektion der Phasendifferenz. Die maximale Dauer 6 der Meßimpulse 29 ist dann gleich der halben Periodendauer des Modulationsoszillators 10(Fig. 1), im oben beschriebenen Beispiel also 0,5 μς. Beträgt die Pulsfrequenz f2 z. B. ■ 'The ultrasound measuring (g Fi. 1) 2 is designed so that "at maximum volume flow, the phase difference Δφ (Figure 3) γ is not more than 180 °. This -gestattet described very simple detection of the phase difference. The maximum duration 6 of the measuring pulses 29 is then equal to half the period of the modulation oscillator 10 (Fig. 1), in the example described above, thus 0.5 μς. If the pulse frequency f 2 z. B.
40MHz, so werden also je Meßimpuls 29 am Ausgang des UND-Tores 34 maximal 20 Zählimpulse abgegeben. Infolge der in der Praxis immer auftretenden statistischen Schwankungen des Volumenstrornes und der Temperatur des strömenden Mediums wird aber trotz40MHz, so for each measuring pulse 29 at the output of the AND gate 34 emitted a maximum of 20 counting pulses. As a result of the statistical that always occurs in practice However, fluctuations in the volume flow and the temperature of the flowing medium will be avoided
ίο der Abtretung der Meßimpulse 29 mit einer endlichen Frequenz eine sehr hohe Auflösung des Meßergebnisses erzieltίο the assignment of the measuring pulses 29 with a finite Frequency achieves a very high resolution of the measurement result
Die Anordnung nach der Fig.5 unterscheidet sich von jener nach der Fig.4 nur dadurch, daß ein Impulsgenerator 38, der eine konstante Frequenz erzeugt, an den Steuereingang 15 der Meßanordnung 1 angeschlossen ist und der Schwingungserzeuger 30 mit dem zweiten Eingang des UND-Tores 34 verbunden ist. Das Meßresultat bleibt das gleiche wie bei der Anordnung nach der F i g. 4.The arrangement according to Figure 5 differs of that according to Figure 4 only in that a Pulse generator 38, which generates a constant frequency, to control input 15 of measuring arrangement 1 is connected and the vibration generator 30 is connected to the second input of the AND gate 34. The measurement result remains the same as in the case of the arrangement according to FIG. 4th
In der Fig.6 weisen gleiche Bezugszahlen wie in vorangehenden Figuren auf gleiche Teile hin. Der Impulsgenerator 38 ist wiederum mit dem Steuereingang 15 der Meßanordnung 1 verbunden. Der AusgangIn FIG. 6, the same reference numerals as in previous figures refer to the same parts. The pulse generator 38 is in turn connected to the control input 15 of the measuring arrangement 1 connected. The exit
21 der Meßanordnung 1 steuert einen Schalter 39, der im Eingang eines Analog-Frequenzwandlers 40 angeordnet ist und in geschlossenem Zustand ein Meßglied 41 mit dem Analog-Frequenzwandler verbindet Das an den Vorlauftemperaturfühler 32 und den Rücklauftemperaturfühler 33 angeschlossene Meßglied 41 liefert einen zur Temperaturdifferenz Tv-Tr proportionalen Strom. Der Mittelwert des impulsförmigen Stromes / am Eingang des Analog-Frequenzwandlers 40 ist proportional zum Produkt aus der Temperaturdifferenz Ty- Tr und der Dauer <5 der Meßimpulse 29. Am Ausgang des Analog-Frequenzwandlers 40 erscheinen Zählimpulse mit einer zu diesem Produkt proportionalen Pulsfrequenz. Die Zählimpulse gelangen über die dem Analog-Frequenzwandler 4021, the measuring arrangement 1 controls a switch 39, of an analog-frequency converter 40 is disposed in the entrance and in the closed state, a measuring element 41 with the analog-to-frequency converter connecting the to the flow temperature sensor 32 and the return temperature sensor 33 connected measuring member 41 provides a v to the temperature difference T -T r proportional current. The mean value of the pulse-shaped current / at the input of the analog frequency converter 40 is proportional to the product of the temperature difference T r and the duration <5 of the measuring pulses 29. At the output of the analog frequency converter 40 count pulses appear with a pulse frequency proportional to this product. The counting pulses arrive via the analog frequency converter 40
nachgeschaltete Impulsteilerstufe 36 zum Impulszähler 37 und werden dort aufsummiert. Der an den Analog-Frequenzwandler 40 angeschlossene Temperaturfühler 31 beeinflußt die Frequenz des aus dem Meßglied 41. dem Schalter 39 und dem Analog-Frequenzwandler 40 bestehenden Schwingungserzeuger 42 in gleicher Weise wie jene des Schwingungserzeugers 30 (F i g. 4 und 5). Zur Durchflußvolumenmessung kann das Meßglied 41 weggelassen und an seiner Stelle eine Konstantstromquelle oder Konstantspannungsquelle an den Schalter 39 angeschlossen werden.downstream pulse divider stage 36 to pulse counter 37 and are added up there. The one to the Analog frequency converter 40 connected temperature sensor 31 influences the frequency of the from the Measuring element 41. the switch 39 and the analog frequency converter 40 existing vibrator 42 in the same way as that of the vibrator 30 (Figs. 4 and 5). To measure the flow volume, the measuring element 41 can be omitted and one in its place Constant current source or constant voltage source can be connected to the switch 39.
Die F i g. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel sowohl für den Schwingungserzeuger 42 mit dem Meßglied 41, dem Schalter 39 und dem Analog-Frequenzwandler 40 als auch für den Schwingungserzeuger 30, wenn der Schalter 39 weggelassen wird.The F i g. 7 shows an embodiment for both the vibration generator 42 with the measuring element 41, the Switch 39 and the analog frequency converter 40 as well as for the vibration generator 30, if the Switch 39 is omitted.
Das Meßglied 41 besteht in der Fig.7 aus einer Meßbrücke, die durch die Temperaturfühler 32,33 und zwei Widerstände 43, 44 gebildet ist. Der Analog-Frequenzwandler 40 enthält einen Differenzverstärker 45,The measuring element 41 consists of one in FIG Measuring bridge formed by temperature sensors 32, 33 and two resistors 43, 44. The analog frequency converter 40 contains a differential amplifier 45,
dessen nicht invertierender Eingang unmittelbar und dessen invertierender Eingang gegebenenfalls über den Schalter 39 an die Diagonale der Meßbrücke angeschlossen ist Ein Kondensator 46, der zusammen mit jdem Differenzverstärker 45 einen Integrator bildet, istits non-inverting input directly and its inverting input via the Switch 39 connected to the diagonal of the measuring bridge A capacitor 46, which together with each differential amplifier 45 forms an integrator
^zwischen den invertierenden Eingang und den Ausgang^ between the inverting input and the output
'0" äes Differenzverstärkers 45 geschaltet. Der nicht invertierende Eingang des Differenzverstärkers 45 ist mit dem nicht invertierenden Eingang eines weiteren '0 "is connected to the differential amplifier 45. The non-inverting input of the differential amplifier 45 is connected to the non-inverting input of another
Differenzverstärkers 47 verbunden, dessen Ausgang an seinen invertierenden Eingang gekoppelt ist und einen künstlichen Nullpunkt 48 darstellt.Differential amplifier 47 connected, the output of which is coupled to its inverting input and a represents artificial zero point 48.
Der hier nichtlineare Temperaturfühler 31 bildet zusammen mit einem Festwiderstand 49 einen von der Temperatur des strömenden Mediums abhängigen Spannungsteiler, der an den Ausgang des Integrators 45, 46 und an den Nullpunkt 48 angeschlossen ist und dessen Abgriff an einen Schwellenschalter 50 geführt ist. DasThe here non-linear temperature sensor 31 forms together with a fixed resistor 49 one of the Temperature of the flowing medium dependent voltage divider, which is connected to the output of the integrator 45, 46 and is connected to the zero point 48 and the tapping of which is led to a threshold switch 50. That
Spannungsteilerverhältnis -jf- dieses Spannungsteilers waist in einem vorgegebenen Temperaturbereich näherungsweise die gleiche Abhängigkeit von der Temperatur des strömenden Mediums auf wie das Quadrat der Schallgeschwindigkeit im Medium. Der Ausgang des Schwei'snschalters 50 steuert im dargestellten Beispiel einen parallel zum Kondensator 46 geschalteten Entladeschalter 51 und bildet den Frequenzausgang 52 des Schwingungserzeugers 30 bzw. 42. Das Meßglied 41 liefert einen zur Temperaturdifferenz Tr- Tr proportionalen Strom an den Integrator 45, 46. Die Spannung Ue am Ausgang des Integrators steigt dadurch linear an. Sobald die am Spannungsteiler 31,49 abgegriffene Teilspannung U, den Schwellenwert des Schwellenschalters 50 erreicht, spricht dieser an und bewirkt, daß der Schalter 51 geschlossen wird. Der Kondensator 46 wird durch den Schalter 51 entladen, der Schwellenschalter 50 kippt wieder in die Ruhelage zurück und der beschriebene Vorgang beginnt vor. neuem. Die Pulsfrequenz am Ausgang 52 ist proportional sowohl zur Temperaturdifferenz Tr- 7> als auch zum Spannungsteilerverhältnis -φ. Voltage divider ratio -jf- of this voltage divider waist in a given temperature range has approximately the same dependence on the temperature of the flowing medium as the square of the speed of sound in the medium. In the example shown, the output of the welding switch 50 controls a discharge switch 51 connected in parallel to the capacitor 46 and forms the frequency output 52 of the vibration generator 30 or 42. The measuring element 41 supplies a current proportional to the temperature difference Tr-Tr r to the integrator 45, 46 The voltage U e at the output of the integrator increases linearly as a result. As soon as the partial voltage U tapped at the voltage divider 31, 49 reaches the threshold value of the threshold switch 50, this responds and causes the switch 51 to be closed. The capacitor 46 is discharged by the switch 51, the threshold switch 50 tilts back into the rest position and the process described begins. new. The pulse frequency at the output 52 is proportional both to the temperature difference T r - 7> and to the voltage divider ratio -φ.
Die Entladung des Kondensators 46 bei Überschrei-The discharge of the capacitor 46 when it is exceeded
s ten des Schwellenwertes durch den Schalter 51. stellt eine von mehreren bei Analog-Frequenz wandlern übliche Methode dar. Statt dessen kann das sogenannte Ladungskompensationsverfahren angewandt und dem Kondensator 46 jeweils bei Überschreiten des Schwellenwertes ein konstanter Kompensationsladungsimpuls ^zugeführt werden. Ferner kann das sogenannte Umladeverfahren angewandt werden, bei welchem das Eingangssignal des Analog-Frequenzwandlers 40 jeweils bei überschreiten eines oberen Schwellenwertes und bei Unterschreiten eines unteren Schwellenwertes des Schwellenschalters 50 umgepolt wird.s th of the threshold value by the switch 51. sets one of several common methods for analog frequency converters. Instead, the so-called Charge compensation method applied and the capacitor 46 each time the threshold value is exceeded a constant compensation charge pulse ^ can be supplied. Furthermore, the so-called Reloading methods are used in which the input signal of the analog frequency converter 40 in each case when exceeding an upper threshold value and when falling below a lower threshold value the polarity of the threshold switch 50 is reversed.
Das Diagramm der Fig.8 zeigt als Beispiel die Abhängigkeit des Quadrates der Schallgeschwindigkeit Co in Wasser von dessen Temperatur Tm. Ferner ist in diesem Diagramm das SpannungsteilerverhältnisThe diagram in FIG. 8 shows, as an example, the dependence of the square of the speed of sound Co in water on its temperature T m . Also in this diagram is the voltage dividing ratio
7^-des Spannungsteilers 31,49 in Abhängigkeit von der Temperatur Tn, des Mediums dargestellt, wie es sich z. B. mit einem NTC-Widerstand als Temperaturfühler 31 verwirklichen läßt. Die Kurven o? und -φ schneiden sich bei T"m=20°C und 7m=75°C. Innerhalb des Temperaturbereiches 20° C < T„ < 75° C zeigen die beiden Kurven einen beinahe identischen Verlauf.7 ^ - of the voltage divider 31,49 as a function of the temperature T n , the medium shown how it is z. B. can be realized with an NTC resistor as a temperature sensor 31. The curves o? and -φ intersect at T " m = 20 ° C and 7 m = 75 ° C. Within the temperature range 20 ° C <T"< 75 ° C, the two curves show an almost identical course.
Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings
iffiff
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